多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制系统及方法与流程

1.本发明属于智能交通领域，涉及一种基于边缘计算的多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制系统及方法。


背景技术：

2.快速路、高速公路主线一般提前2km预告出口位置，且预告信息只有地名信息和距离信息，由于驾驶员无法提前获知分流区标线施划方案和交通运行状态，导致临近分流区后驾驶员才紧急变道，存在一定安全隐患，特别是多车道快速路、高速公路可能存在车辆连续多次变道。为提升分流区运行效率，部分快速路、高速公路将分流区外侧一车道或者外侧两车道分界线施划为实线，但由于没有提前预告，导致内侧车道驾驶员无法准确判断需提前变道位置，使得管控策略应用效果不佳。
3.因此，亟需一种提前换道控制系统及方法，用于克服多车道快速路分流区中车辆连续多次变道、频繁变道、车流严重交织、驾驶员因不能提前获知前方分流区标线施划方案及交通运行状态导致无法选择合适的提前变道位置等问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于边缘计算的多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制系统及方法，克服多车道快速路分流区中车辆连续多次变道、频繁变道、车流严重交织、驾驶员因不能提前获知前方分流区标线施划方案及交通运行状态导致无法选择合适的提前变道位置等问题，避免驾驶员在多车道快速路分流区突然变道，保证分流区交通运行安全，同时减少变道车辆之间相互交织以提升分流区通行能力，提高多车道快速路分流区精细化管理水平。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.方案1：一种基于边缘计算的多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制方法，具体包括以下步骤：
7.s1：建立基于边缘计算的多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制系统，在快速路分流区上游3～5km范围内，每隔200～500m设置一组边缘计算控制单元，各组边缘计算控制单元之间利用光纤、4g、5g等通信技术连接以进行组网控制；
8.s2：根据行车方向从右往左将各车道分别标记为第1车道、第2车道、
…
、第n车道，各组边缘计算控制单元根据数据采集模块实时检测的快速路不同断面间的不同车道上车辆速度、流量、密度等交通流数据，实现车道级的道路交通状态监测；并与车载终端进行连接查询车辆行驶路线，通过边缘计算控制单元获取建议的车道功能划分方案(小客车道、客车道、客货车道、货车道等)、车道标线施划方案(实线、虚线、虚实线)、车辆提前变道位置及是否启用硬路肩动态开放控制方案；
9.s3：各组边缘计算控制单元发布相应断面的车道功能划分方案、车道标线施划方案和硬路肩动态控制方案，并将各方案发送给方案发布模块，指引相应区域车辆提前向左
或者向右变道。
10.进一步，步骤s2具体包括以下步骤：
11.s21：获取所有边缘计算控制单元断面区域的车道级交通流数据和车辆预计行驶路线；
12.s22：利用各车道车辆速度、流量、密度等交通流数据，以及预计往外侧车道变道的流量，分别确定第2车道往第1车道、
…
、第n车道往第(n-1)车道完成变道过程所需行驶距离l2、
…
、ln以及减速车道起点至分流鼻端长度l1；
13.s23：通过边缘计算控制单元获取建议的车道功能划分方案，将提前换道起点至分流鼻端的驶离主线变道影响区范围内车道功能从左往右分别划分为小客车道、客车道和客货车道，各种类型车道数量由车型组成确定，以确保各车道密度均衡，同时不设置货车道，避免驶离主线车辆受客货分离措施的影响，不敢变道至外侧货车道驶离主线，造成指引信息冲突形成行车安全隐患；第一个边缘计算控制单元至提前换道起点的区域，其车道功能划分方案建议与上游主线车道功能保持一致；驶离主线变道影响区长度计算如下：
[0014][0015]
其中，l为提前换道起点至分流鼻端的驶离主线变道影响区长度(m)；l0为车道功能划分方案由一般路段往分流区切换的过渡区域长度(m)，一般取1～2km。
[0016]
s24：通过边缘计算控制单元获取是否建议启用硬路肩动态开放控制；
[0017]
s25：通过边缘计算控制单元获取建议车辆提前变道位置，分别在距分流鼻端上游的位置，建议第n车道与第(n-1)车道、
…
、第2车道与第1车道，驶离主线车辆提前向右变道，其余车辆往左变道。
[0018]
进一步，步骤s24中，当满足下列条件之一，则建议启用硬路肩动态开放控制：驶离主线流量超过匝道通行能力的α倍，驶离主线流量与第1车道流量之和超过第1车道通行能力的β倍，第1车道大型车比例超过阈值驶离主线车辆行驶速度小于主线自由流速度的δ倍，建议启用硬路肩，启用范围为分流鼻端至上游距离l的范围；
[0019]qu
≥αcr(2)
[0020]qu
+q1≥βc1(3)
[0021][0022]
υu≤δυ
free
(5)
[0023]
其中，qu为驶离主线交通流量(pcu/h)；q1为行驶在第1车道上的交通流量(pcu/h)；cr为出口匝道通行能力(pcu/h)；c1为第1车道通行能力(pcu/h)；p
l
为第1车道大型车比例；υu为驶离主线车辆行驶速度(km/h)；υ
free
为主线自由流速度(km/h)；α,β,δ,为阈值。
[0024]
进一步，步骤s25中，车辆提前变道位置的计算方法为：
[0025]
车辆变道所需最小变道长度l1为：
[0026][0027]
其中，r为车辆变道半径(m)；w为变道前后相邻车道行驶轨迹线距离的一半(m)；
[0028]
在第i车道中车辆跟车行驶所需最小安全停车距离l
2,i
为：
[0029][0030]
其中，υi为在第i车道中车辆行驶速度(m/s)；t
re
为驾驶员反应时间(s)；μ为路面摩擦系数；p为坡度；g为重力加速度；d1为跟车安全间隔距离(m)；
[0031]
从第i车道往第(i-1)车道变道的车辆所需临界车头间距l
min,i
为：
[0032][0033]
从第i车道往第(i-1)车道变道的车辆等待相邻车道可插入间隙时间ti由相邻车道流量q
i-1
、变道车辆所需临界车头间距l
min,i
及两条车道中的车辆行驶速度υi,υ
i-1
决定，如下：
[0034][0035]
从第i车道往第(i-1)车道变道的车辆寻找可插入间隙以完成变道过程所需行驶的距离li为
[0036][0037]
其中，d2为变道安全间隔距离(m)。
[0038]
进一步，步骤s25中，边缘计算控制单元还能获取车道级交通管控方法，具体是：当持续时间t检测到某车道车辆速度等于零，判定该车道发生交通事故，或者通过其它方式发现该车道交通事故，在距事故点上游la处的边缘计算控制单元发布前方该车道封闭，提醒车辆提前向左或向右变换到其它车道行驶；在事故点下游第一个边缘计算控制单元处发布该车道开放，提醒车辆可以自由选择车道行驶。
[0039]
方案2：一种基于边缘计算的多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制系统，包括：
[0040]
数据采集模块，用于实时检测快速路车道级交通流数据和与车载终端连接获取车辆行驶路线，包括视频、毫米波雷达、激光雷达、测速装置等。
[0041]
边缘计算控制单元，接收本位置边缘计算控制单元及上下边缘计算游控制单元断面区域的数据采集模块实时检测信息和方案发布模块实施的管控方案等，判断道路各车道交通状态及车辆变道情况，基于边缘计算控制单元确定合理的车道功能划分方案、车道标线施划方案、硬路肩动态控制方案及建议车辆提前变道位置。
[0042]
方案发布模块，利用可变情报板、车道指示灯、智能道钉、路侧广播等“声光色形”方式发布管控方案，实现快速路分流区车道级管控，并利用车载通信设备向当前区域车辆发送前方车道级交通状况及建议提前变道位置。
[0043]
通信模块，利用光纤、4g、5g等通信技术实现各边缘计算控制单元之间、边缘计算控制单元内各模块之间，以及车辆与控制单元之间等实时通信。
[0044]
本发明的有益效果在于：本发明通过在主线分流区上游设置边缘计算控制单元，发布前方分流区分车道交通状态、车道功能划分方案、车道标线施划方案和车辆提前变道建议位置，提醒驶离主线驾驶员提前选择合适的变道位置，并通过硬路肩动态开放控制以提升分流区通行能力，降低分流区交织冲突，均衡分流区各车道流量，避免分流区车辆连续多次变道，保障分流区安全顺畅运行。
[0045]
本发明可应用于快速路分流区、高速公路分流区及普通公路分流区，用于分流区精细化智能管控，通过诱导驾驶员在分流区阶梯式提前换道和启用硬路肩开放控制以避免分流区车辆连续多次变道，降低车辆交织冲突，保证驶离主线车辆安全驶出，提升分流区通行能力，保障分流区交通高效、安全、畅通运行。
[0046]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0047]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0048]
图1为本发明多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制系统安装示意图；
[0049]
图2为本发明多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制方法的流程图。
具体实施方式
[0050]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0051]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0052]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0053]
请参阅图1～图2，本发明提供一种基于边缘计算的多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制方法，具体包括以下步骤：
[0054]
步骤1：建立基于边缘计算的多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制系统，在快速路分流区上游3～5km范围内，每隔200～500m设置一组边缘计算控制单元，各组边缘计算控制单元之间利用光纤、4g、5g等通信技术连接以进行组网控制。
[0055]
如图1所示，基于边缘计算的多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制系统包括：
[0056]
数据采集模块，用于实时检测快速路车道级交通流数据和与车载终端连接获取车
辆行驶路线，包括视频、毫米波雷达、激光雷达、测速装置等。
[0057]
边缘计算控制单元，接收本位置边缘计算控制单元及上下游边缘计算控制单元断面区域的数据采集模块实时检测信息、方案发布模块实施的管控方案等，判断道路各车道交通状态及车辆变道情况，基于边缘计算控制单元确定合理的车道功能划分方案、车道标线施划方案、硬路肩动态控制方案及建议车辆提前变道位置。
[0058]
方案发布模块，利用可变情报板、车道指示灯、智能道钉、路侧广播等“声光色形”方式发布管控方案，实现快速路分流区车道级管控，并利用车载通信设备向当前区域车辆发送前方车道级交通状况及建议提前变道位置。
[0059]
通信模块，利用光纤、4g、5g等通信技术实现各边缘计算控制单元之间、边缘计算控制单元内各模块之间、车辆与控制单元之间等实时通信。
[0060]
步骤2：根据行车方向从右往左将各车道分别标记为车道1、车道2、
…
、车道n，各组边缘计算控制单元实时检测快速路不同断面间的不同车道上车辆速度、流量、密度等交通流数据，实现车道级的道路交通状态监测，并与车载终端进行连接查询车辆行驶路线，通过边缘计算控制单元获取建议的车道功能划分方案(小客车道、客车道、客货车道、货车道等)、车道标线施划方案(实线、虚线、虚实线)、车辆提前变道位置及是否启用硬路肩动态开放控制。
[0061]
步骤2具体包括以下步骤：
[0062]
步骤21：获取所有边缘计算控制单元断面区域的车道级交通流数据和车辆预计行驶路线。
[0063]
步骤22：利用各车道车辆速度、流量、密度等交通流数据及预计往外侧车道变道的流量，分别确定车道2往车道1、
…
、车道n往车道n-1完成变道过程所需行驶距离l2、
…
、ln以及减速车道起点至分流鼻端长度l1。
[0064]
步骤23：通过边缘计算控制单元获取建议的车道功能划分方案，将提前换道起点至分流鼻端的驶离主线变道影响区范围内车道功能从左往右分别划分为小客车道、客车道、客货车道，各种类型车道数量由车型组成确定，以确保各车道密度均衡，同时不设置货车道，避免驶离主线车辆受客货分离措施的影响，不敢变道至外侧货车道驶离主线，造成指引信息冲突形成行车安全隐患；第一个边缘计算控制单元至提前换道起点的区域，其车道功能划分方案建议与上游主线车道功能保持一致。驶离主线变道影响区长度计算如下：
[0065][0066]
其中，l为提前换道起点至分流鼻端的驶离主线变道影响区长度(m)；l0为车道功能划分方案由一般路段往分流区切换的过渡区域长度(m)，一般取1～2km。
[0067]
步骤24：通过边缘计算控制单元获取是否建议启用硬路肩动态开放控制，当满足下列条件之一：驶离主线流量超过匝道通行能力的一定比例，驶离主线流量与车道1流量之和超过车道1通行能力的一定比例，车道1大型车比例超过一定值，驶离主线车辆行驶速度小于主线自由流速度的一定比例，建议启用硬路肩，启用范围为分流鼻端至上游距离l的范围。
[0068]qu
≥αcr(2)
[0069]qu
+q1≥βc1(3)
[0070][0071]
υu≤δυ
free
(5)
[0072]
其中，qu为驶离主线交通流量(pcu/h)；q1为行驶在第1车道上的交通流量(pcu/h)；cr为出口匝道通行能力(pcu/h)；c1为第1车道通行能力(pcu/h)；p
l
为第1车道大型车比例；υu为驶离主线车辆行驶速度(km/h)；υ
free
为主线自由流速度(km/h)；α,β,δ,为阈值。
[0073]
步骤25：通过边缘计算控制单元获取建议车辆提前变道位置，分别在距分流鼻端上游的位置，建议车道n与车道n-1、
…
、车道2与车道1，驶离主线车辆提前向右变道，其余车辆往左变道。
[0074]
车道级交通管控方法：当持续时间t检测到某车道车辆速度等于零，判定该车道发生交通事故，或者通过其它方式发现该车道交通事故，在距事故点上游la的边缘计算控制单元发布前方该车道封闭，提醒车辆提前向左或向右变换到其它车道行驶。在事故点下游第一个控制单元处发布该车道开放，提醒车辆可以自由选择车道行驶。
[0075]
车道快速路分流区阶梯式提前换道控制范围计算方法具体包括：
[0076]
车辆变道所需最小变道长度l1为：
[0077][0078]
其中，r为车辆变道半径(m)；w为变道前后相邻车道行驶轨迹线距离的一半(m)。
[0079]
在车道i中车辆跟车行驶所需最小安全停车距离l
2,i
为：
[0080][0081]
其中，υi为在第i车道中车辆行驶速度(m/s)；t
re
为驾驶员反应时间(s)；μ为路面摩擦系数；p为坡度；g为重力加速度；d1为跟车安全间隔距离(m)。
[0082]
从车道i往车道i-1变道的车辆所需临界车头间距l
min,i
为：
[0083][0084]
从车道i往车道i-1变道的车辆等待相邻车道可插入间隙时间ti由相邻车道流量q
i-1
、变道车辆所需临界车头间距l
min,i
及两条车道中的车辆行驶速度υi,υ
i-1
决定，如下
[0085][0086]
从车道i往车道i-1变道的车辆寻找可插入间隙以完成变道过程所需行驶的距离li为：
[0087][0088]
其中，d2为变道安全间隔距离(m)。
[0089]
步骤3：各组边缘计算控制单元发布相应断面的车道功能划分方案、车道标线施划方案和硬路肩动态控制方案，并利用通信技术指引相应区域车辆提前向左或者向右变道。
[0090]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明
的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：s1：在快速路分流区上游3～5km范围内，每隔200～500m设置一组边缘计算控制单元，各组边缘计算控制单元之间利用通信技术连接以进行组网控制；s2：根据行车方向从右往左将各车道分别标记为第1车道、第2车道、
…
、第n车道，各组边缘计算控制单元根据数据采集模块实时检测的快速路不同断面间的不同车道的交通流数据，实现车道级的道路交通状态监测；并与车载终端进行连接查询车辆行驶路线，通过边缘计算控制单元获取建议的车道功能划分方案、车道标线施划方案、车辆提前变道位置及是否启用硬路肩动态开放控制方案；s3：各组边缘计算控制单元发布相应断面的车道功能划分方案、车道标线施划方案和硬路肩动态控制方案，并将各方案发送给方案发布模块，指引相应区域车辆提前向左或者向右变道。2.根据权利要求1所述的多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制方法，其特征在于，步骤s2具体包括以下步骤：s21：获取所有边缘计算控制单元断面区域的车道级交通流数据和车辆预计行驶路线；s22：利用各车道车辆速度、流量、密度的交通流数据，以及预计往外侧车道变道的流量，分别确定第2车道往第1车道、
…
、第n车道往第(n-1)车道完成变道过程所需行驶距离l2、
…
、l
n
以及减速车道起点至分流鼻端长度l1；s23：通过边缘计算控制单元获取建议的车道功能划分方案，将提前换道起点至分流鼻端的驶离主线变道影响区范围内车道功能从左往右分别划分为小客车道、客车道和客货车道，各种类型车道数量由车型组成确定，以确保各车道密度均衡；第一个边缘计算控制单元至提前换道起点的区域，其车道功能划分方案建议与上游主线车道功能保持一致；驶离主线变道影响区长度计算如下：其中，l为提前换道起点至分流鼻端的驶离主线变道影响区长度；l0为车道功能划分方案由一般路段往分流区切换的过渡区域长度；s24：通过边缘计算控制单元获取是否建议启用硬路肩动态开放控制；s25：通过边缘计算控制单元获取建议车辆提前变道位置，分别在距分流鼻端上游的位置，建议第n车道与第(n-1)车道、
…
、第2车道与第1车道，驶离主线车辆提前向右变道，其余车辆往左变道。3.根据权利要求2所述的多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制方法，其特征在于，步骤s24中，当满足下列条件之一，则建议启用硬路肩动态开放控制：驶离主线流量超过匝道通行能力的α倍，驶离主线流量与第1车道流量之和超过第1车道通行能力的β倍，第1车道大型车比例超过阈值驶离主线车辆行驶速度小于主线自由流速度的δ倍，建议启用硬路肩，启用范围为分流鼻端至上游距离l的范围；q
u
≥αc
r
(2)
q
u
+q1≥βc1(3)υ
u
≤δυ
free
(5)其中，q
u
为驶离主线交通流量；q1为行驶在第1车道上的交通流量；c
r
为出口匝道通行能力；c1为第1车道通行能力；p
l
为第1车道大型车比例；υ
u
为驶离主线车辆行驶速度；υ
free
为主线自由流速度；α,β,δ,为阈值。4.根据权利要求2所述的多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制方法，其特征在于，步骤s25中，车辆提前变道位置的计算方法为：车辆变道所需最小变道长度l1为：其中，r为车辆变道半径；w为变道前后相邻车道行驶轨迹线距离的一半；在第i车道中车辆跟车行驶所需最小安全停车距离l
2,i
为：其中，υ
i
为在第i车道中车辆行驶速度；t
re
为驾驶员反应时间；μ为路面摩擦系数；p为坡度；g为重力加速度；d1为跟车安全间隔距离；从第i车道往第(i-1)车道变道的车辆所需临界车头间距l
min,i
为：从第i车道往第(i-1)车道变道的车辆等待相邻车道可插入间隙时间t
i
由相邻车道流量q
i-1
、变道车辆所需临界车头间距l
min,i
及两条车道中的车辆行驶速度υ
i
,υ
i-1
决定，如下：从第i车道往第(i-1)车道变道的车辆寻找可插入间隙以完成变道过程所需行驶的距离l
i
为其中，d2为变道安全间隔距离。5.根据权利要求2所述的多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制方法，其特征在于，步骤s25中，边缘计算控制单元还能获取车道级交通管控方法，具体是：当持续时间t检测到某车道车辆速度等于零，判定该车道发生交通事故，或者通过其它方式发现该车道交通事故，在距事故点上游l
a
处的边缘计算控制单元发布前方该车道封闭，提醒车辆提前向左或向右变换到其它车道行驶；在事故点下游第一个边缘计算控制单元处发布该车道开放，提醒车辆自由选择车道行驶。6.适用于权利要求1～5中任意一项所述方法的多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制系统，其特征在于，该系统包括：数据采集模块，用于实时检测快速路车道级交通流数据和与车载终端连接获取车辆行驶路线；边缘计算控制单元，接收本位置边缘计算控制单元及上下边缘计算游控制单元断面区域的数据采集模块实时检测信息和方案发布模块实施的管控方案，判断道路各车道交通状
态及车辆变道情况，基于边缘计算控制单元确定合理的车道功能划分方案、车道标线施划方案、硬路肩动态控制方案及建议车辆提前变道位置；方案发布模块，利用“声光色形”方式发布管控方案，实现快速路分流区车道级管控，并利用车载通信设备向当前区域车辆发送前方车道级交通状况及建议提前变道位置；通信模块，利用通信技术实现各边缘计算控制单元之间、边缘计算控制单元内各模块之间，以及车辆与控制单元之间实时通信。

技术总结
本发明涉及一种多车道快速路分流区阶梯式提前换道控制系统及方法，属于智能交通领域。本发明通过在主线分流区上游设置边缘计算控制单元，发布前方分流区分车道交通状态、车道功能划分方案、车道标线施划方案和车辆提前变道建议位置，提醒驶离主线驾驶员提前选择合适的变道位置，并通过硬路肩动态开放控制以提升分流区通行能力，降低分流区交织冲突，均衡分流区各车道流量，避免分流区车辆连续多次变道，保障分流区安全顺畅运行。保障分流区安全顺畅运行。保障分流区安全顺畅运行。


技术研发人员：叶青 宋浪 王少飞 朱湧 骆中斌 周欣 谢耀华 俞山川 安文娟
受保护的技术使用者：招商局重庆交通科研设计院有限公司
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/6/14